超强高弹石墨烯互穿网络新材料问世

2017-10-20物组

军民两用技术与产品 2017年15期

超强高弹石墨烯互穿网络新材料问世

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室与美国华盛顿卡内基研究院的研究人员研制出一种轻质的超强新型碳材料——压缩玻璃碳，其硬度堪比钻石，弹性超过了橡胶，同时还具有导电性，可大量生产，适用于从防弹背心到新型电子设备等各种应用。

研究人员以玻璃碳为原料，利用高压但比较温和的温度条件合成了新型碳同素异形体。其由玻璃碳压缩获得并保留了玻璃碳的一些特征，因此，研究人员将其命名为“压缩玻璃碳”。压缩玻璃碳同时具有sp3键和sp2键，兼具石墨和金刚石的特性，综合性能优异：其密度与石墨类似，单轴压缩强度是通常金属及合金材料的5倍以上，也远高于一般陶瓷材料；比强度（即强度质量比）极高，是碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度极高，可轻松刻划高硬度的碳化硅单晶片；弹性恢复性明显高于普通金属和陶瓷，甚至高于高弹性的形状记忆合金及有机橡胶等材料；具有导电性。

研究人员将进一步研发合成方法，以研制出超高强度、超高硬度兼具超高弹性的材料。 (物组)

我国制造出高导热超柔性石墨烯膜

浙江大学的研究人员研发出一种高导热超柔性石墨烯组装膜，其导热率最高达到2053W/m·K，接近理想单层石墨烯导热率的40%，可反复折叠6000次、弯曲10万次，解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的难题，有望应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空、航天等领域。

研究人员创造性地提出了“大片微褶皱”的材料制备方法：首先将大片单层石墨烯互相交叠，经高温热处理后，材料中的含氧基团释放出气体，在材料内部形成微气囊，最后降温并用机械辊压成膜，使微气囊中的气体排出形成微褶皱。在外力的作用下，石墨烯膜上的微褶皱会产生弹性变形，外力越大，形变就越明显。

实验数据表明，相较于传统的石墨膜材料，该石墨烯膜的断裂伸长率提高了2～3倍。石墨烯微褶皱的可延展性使其能够耐受反复折叠、打结、扭曲、弯曲等多种复杂形变，也更适于工业规模化生产。此外，该石墨烯膜还具有优异的导热导电性能，其导热率平均值达到1900W/m·K。在实验中，研究人员用这种石墨烯膜替代商用石墨膜，应用到手机散热膜上，手机处理器处的温度可控制在33℃以下，较商用石墨膜降低了6℃，从而大幅延长了手机的使用寿命。 (W.HK)

由中国航天科工集团公司第二研究院第二总体设计部牵头承担的“国产M40J碳纤维工程化研制及应用” 项目取得重大进展，突破了碳纤维稳定化制备、碳纤维表面处理等关键技术，并分别在威海拓展纤维有限公司和中简科技股份有限公司建成了百吨级M40J高模高强碳纤维生产线，标志着我国M40J高模高强碳纤维进入了稳定生产阶段。

我国研制成功M40J高性能碳纤维

据了解，M40J高模高强碳纤维复合材料制品具有轻量化、高比强度、高比刚度和抗振性等特点，是航天复杂产品不可或缺的关键材料，在高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程等领域均具有广泛的用途，其研制成功将有力地助推“中国制造2025”的发展步伐。

作为项目牵头单位，航天科工二院二部集中国内优势力量攻关，打破了国外技术壁垒，形成了一系列自主知识产权，满足了航天复杂产品研发的材料需求。同时，针对碳纤维及其复合材料的研制技术、试验与分析技术、表征与评价技术等关键技术，研究人员进行了国内外技术现状全面分析对比，通过全面、科学的顶层设计，逐步建立和完善了高强高模碳纤维性能评价、表征方法和工艺标准等，为我国高强高模碳纤维系列化发展奠定了技术基础。 (科工局)

芬兰与荷兰共同开发出原子精度石墨烯纳米带新结构

芬兰阿尔托大学和荷兰乌得勒支大学、代尔夫特理工大学的研究人员合作，开发出一种原子精度的石墨烯纳米带新结构，有助于研制出运行速度极快的二极管、隧道势垒等石墨烯电子器件。

相关研究表明，石墨烯纳米带的电子性质取决于其原子宽度。5原子宽的石墨烯纳米带与金属线相似，具有良好的导电性，而7原子宽的石墨烯纳米带可以成为半导体。研究人员可通过合成石墨烯纳米带来控制石墨烯的电子性质，例如，研究人员将5原子宽石墨烯纳米带和7原子宽石墨烯纳米带集成，获得了金属-半导体结。与目前计算机芯片结构的制备方法不同，研究人员将前体分子蒸发到金晶体上，通过使前体分子与金晶体以受控方式发生化学反应，制得了这种石墨烯纳米带新结构。

此外，研究人员还采用先进的微观技术确定了石墨烯纳米带的电子性质，有利于设计出新的石墨烯电子器件。 (电一所)

我国核岛用橡胶膨胀节实现国产化

由北京核工程研究设计院与江苏永和高分子技术有限公司联合研制的“核岛用橡胶膨胀节”通过鉴定，标志着我国核岛用橡胶膨胀节技术成功突破国外技术壁垒，实现了核岛用橡胶膨胀节的国产化。

核岛用橡胶膨胀节的使用工况不同于一般工业领域使用的橡胶膨胀节，需具有抗震、耐海水腐蚀、耐辐照、耐冲击、耐疲劳等特性。为了验证橡胶膨胀节在核岛上应用的可行性，北京核工程研究设计院与江苏永和高分子有限公司依据试验大纲，对橡胶膨胀节依次叠加进行了水压试验、真空试验、辐射试验等试验。试验结果表明，该橡胶膨胀节可以满足核岛使用要求。

目前，国产橡胶膨胀节尚未正式用于核岛工艺系统，同类产品主要依赖进口。 (中核网)

新型石墨烯渗透膜透析速度比现有材料快10倍

美国麻省理工学院的研究人员利用石墨烯研发出一种新型膜材料，其能够过滤溶液中的纳米级分子，过滤速度比目前的透析系统快10倍以上，有望为石墨烯在医疗、物质过滤和水净化等领域的应用打下基础。

渗透膜除了能够帮助肾脏无法正常工作的患者清除血液中的废物外，还可用来分离杂质分子，净化药物，并从化学溶液中除去不需要的残留物。目前已有的渗透膜由于厚度较大（约20nm厚），过滤速度缓慢，但该新型石墨烯渗透膜的厚度不到1nm，因此，可加速过滤过程。测试结果表明，在过滤水溶液中的纳米级尺寸的分子时，该新型石墨烯渗透膜比目前最先进的渗透膜的过滤速度高10倍，如果完全采用石墨烯材料，新型渗透膜的过滤速率还可再提高10倍。

研究人员计划在高聚碳酸酯基底上蚀刻孔隙来增加膜的整体渗透率，并进一步扩大膜的尺寸，以提高石墨烯渗透膜的性能。 (W.PO)

美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种可以通过体热获取能量的新型柔性自愈可穿戴设备，有望减少未来穿戴设备的耗电量。

新型柔性自愈可穿戴设备可通过体热获取能量

据介绍，该新型可穿戴设备充分结合了刚性和柔性系统的优点，采用含有液态金属的混合物（EGaIn/镓铟合金），不仅能够自愈，还可以有效地传导能量。EGaIn/镓铟合金的电阻率极低，因此，其发电效率更高。其可以制造成智能手表、腕带、T恤贴、口袋、手电筒等多种外形，能够更好地接触皮肤，穿戴舒适度也更高。

下一步，研究人员计划通过调整材料和方法、消除可能会消耗能量的部件，以进一步提升效率。目前，该项研究成果已申请1项技术专利。 (W.CB)

中外合作有机-无机钙钛矿分子压电材料研究获进展

中国科学院深圳先进技术研究院与东南大学、南京大学、北京大学，以及美国托莱多大学等单位联合，在有机-无机钙钛矿分子压电材料研究方面取得了突破。

无机陶瓷铁电体具有优良的性能，但存在成膜成本高、制备需高温烧结、含有毒性元素等缺点。而分子铁电体兼具轻量、柔性、结构灵活、易成膜、全液相合成、环保节能等优点，更能适应新一代薄膜器件、微电子机械系统、可穿戴设备的需求。

研究人员制备出了两种具有高居里温度（＞400K）的有机-无机钙钛矿型多极轴分子铁电体：三甲基氯甲基铵氯酸锰（II）盐（TMCM-MnCl3）和三甲基氯甲基铵镉酸盐（TMCM-CdCl3）。其特殊的全铁电-半铁弹特性使其在应力下可以发生特殊的极化旋转，从而获得了高达185pC/N和220pC/N的压电系数（d33）。这两种分子的压电系数不仅超过以往所有分子材料，还接近甚至超越了钛酸钡。除了体相块材的铁电、压电特性外，研究人员还利用压电力显微镜在微米尺度上对材料的6个极轴方向进行了标定，同时，通过简单的溶液法制备出了厚度为微米级的薄膜样品，并成功观测到了铁电翻转和压电效应。

该项研究成果成功打破了无机金属氧化物在压电材料领域的垄断地位，为分子材料在机-电转换、超声换能、声探测、声检测等领域的应用拓展开辟了崭新的道路。

(深研院)

中英合作研制出有助于高超声速飞行的新材料

英国曼彻斯特大学、罗伊斯研究所与我国中南大学的研究人员合作，研制出一种新型碳化物涂层材料，将为高超声速客机、航天飞行器，以及其它国防领域带来革新。

高超声速飞行意味着飞机将以5 Ma以上的速度飞行，高速飞行会产生大量热量，使周围环境温度达到2000℃～3000℃，氧化和热烧蚀可能对飞机或导弹的结构完整性造成严重影响。为解决这一问题，航空发动机和高超声速飞行器通常需使用超高温陶瓷材料（UHTC）。但传统的UHTC尚不能满足在极限速度和温度下飞行的相关热烧蚀性能要求。

研究人员采用“反应熔体渗透法”（RMI）工艺技术，开发出了这种由碳、锆、钛、硼组成的碳化物复合材料涂层，并大大缩短了材料的制备周期。该涂层的耐热性可达常规UHTC（碳化锆ZrC）的12倍，可耐受高达3000℃的高温，具有非常显著的优势。此外，其还利用碳/碳复合材料进行了增强，从而大幅提升了材料的抗氧化性和抗烧蚀性能。研究结果表明，将这种陶瓷引入碳纤维增强的碳基复合材料中，或将有效提高材料的抗热激波能力。 (W.HK)